fluent模拟3

中 国 科 学 技 术 大 学

UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA

计算流体与传热传质课程论文

单液滴与热固体表面碰撞动力学现象数值模拟

作者姓名： 蓝 美 娟 学 号： SA11232006 导师姓名： 刘 明 侯 院 系： 火灾科学国家重点实验室

中国·合肥 二○一一年十二月

单液滴与热固体表面碰撞动力学现象数值模拟

(中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室 蓝美娟 安徽合肥 230027)

摘要：文章采用VOF模型结合欧拉-拉格朗日控制方程进行建模，并利用动画跟踪分析了单液滴撞击不同材料，不同温度热固体表面时发生的运动、铺展、回撤、形成液柱、反弹、破裂产生次生液滴等过程的动力学行为。通过与文献中液滴撞击石蜡表面动力学实验进行对比吻合较好，证实了模型模拟的可靠性。 关键词：单液滴 热固体 表面 动力学

1、引言

作为哈龙灭火剂的主要替代物之一的细水雾灭火技术已经在世界范围内得到相对广泛的应用和发展，细水雾对各种不同种类火的火灾性能以及灭火机理也成为了研究热点之一。为了更进一步认识细水雾灭火机理，前人曾利用数值模拟模拟计算了细水雾与羽流区的相互作用。如Schwille等人提出的水喷淋与火羽流相互作用过程的数值计算模型[1]；Heskesta研究水喷淋与火羽流相互作用的相似准则[2]。

液滴与固体表面或者液体表面的相互作用的研究已经持续了一个多世纪[3]，并且射流喷雾撞击固体表面也被运用到各种各样的工业系统中，例如细水雾或喷雾冷却，喷漆和墨水喷射打印[4]。液滴撞击到不同表面时所发生的动力学现象以及动力学过程都完全不同，例如，当液滴撞击到固体表面时，会溅起一个液柱、沿着固体表面铺展、收缩、反弹或者甚至破裂成许多小液滴，当然这些现象的发生与液滴的大小、撞击速度、表面张力、密度和粘度等相关，而且还和撞击表面的性质有关，如表面的形状、表面粗糙度、表面温度和湿润性等等。目前，实验研究是支撑自由表面多相流体流动问题规律的基本方法，而相关的数值分析求解也开始迅速发展。但关于液滴撞击固体表面的自由表面流动问题的数值模拟研究特别是单液滴撞击可燃物表面的动力学过程研究，在国内相关的研究进行的还相对甚少。在实验条件无法满足的情况下，本文利用传统的FLUNET两相流VOF模型进行数值模拟，考虑不同温度，不同材料的情况下，单液滴与热固体表面的动力学过程，以便于更好的研究细水雾作用可燃物表面的冷却降温作用，加快灭火效率。

2、Fluent中的多相流模型

2.1 多相流定义

多相流指的是在流体流动中不是单相物质，而是有两种或两种以上不同相的物质同时存在的一种流体运动。因此，两相流动可能是液相和气相的流动、液相和固相的流动或固相和气相的流动。也有气相、液相和固相三相混合物的流动。 2.2 Fluent中的多相流模型

Fluent中总共有三种多相流模型，即VOF(Volume of Fluid)模型、混合物(Mixture )模型和欧拉(Eulerian )模型。 1、VOF模型

VOF模型是一种固定在欧拉网格下的界面追踪方法，此方法适用于当需要计算一种或者多种不相融流体间的界面时。在VOF模型中，不同的流体组分共用着一套动量方程，在整个流场计算过程中，在每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积率。VOF模型可以应用于分层流、自由面流动、晃动、水坝决堤、液体中大气泡的流动、灌注时水流以及求得任意液——气分界面的稳态或瞬时分界面。 2、混合物模型

混合物模型可用于两相流或多相流(流体或颗粒)。在欧拉模型中，各相被认为是互相连通的连续体，其求解的是混合物的动量方程，并通过相对速度来描述离散相。混合物模型可以用于气泡流、旋风分离器、沉降和低负载的粒子负载流，也可以用于没有离散相相对速度的均匀多相流。 3、 Eulerian模型

此模型是Fluent中最复杂的多相流模型。此模型建立了包含有n个动量方程和连续方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合的方式则依赖于所含相的情况，颗粒流(流一固)的处理与非颗粒流(流一流)是不同的。其可以应用于气泡柱、上浮、颗粒悬浮和流化床。

本文中是单个液滴与热固体表面的相互作用，液滴与固体表面是两种互不相融的相，需要得到的结果是在固体表面的液滴动力学过程。故本文中采用的多相流模型为VOF模型，定义气相为主相(primary-phase)，液相的单液滴为第二相(Secondary-phase)。

3、液滴撞击VOF模型理论基础

3.1 流体相控制方程

采用欧拉-拉格朗日两相流模型，对于一般的二维可压两相内流场，其流体相基本方程的通用形式为：

?u1?Px??.(uU)??(?gradu)??gx?Fx (3-1) ?t??x式中：

?u1?Px为瞬态项，?.(uU)为对流项，?(?gradu)为粘性项，?为压力项，gx为重?t??x力项，Fx为表面项。 3.2 表面张力与无量纲数

液滴撞击固体表面后的行为是由惯性力、粘性力和表面张力相互作用决定的。液滴撞击固体表面后会铺展、反弹甚至破碎。撞击过程中液滴形状变化依赖很多因素包括液滴自身的性质，如液滴的大小、表面张力、密度和粘度等，而且还和被撞击表面的性质有关，如表面的形状、表面粗糙度和表面温度等。表面张力的重要性取决于两个无量纲数：

韦伯数We和雷诺数Re[5-6]

?V2D We? (3-2)

? Re??VD (3-3) ?式中：?为液滴材料的密度，V为液滴撞击固体表面时的速度，D为液滴的初始直径，

?和?分别表述液滴的粘度和表面张力系数。

韦伯数We表示液滴的惯性力与表面张力的比值，其大小会决定液滴在撞击过程中 变形的程度。当We<1时，表面张力起主导作用，撞击过程中液滴会趋于稳定；当We>1 时，起决定作用的是液滴的惯性力，撞击过程中液滴更容易不稳定。雷诺数Re表示惯 性力与粘性力的比值。

3.3 Young方程

1805年，Tomas Young将接触角当作三个界面张力的机械平衡问题来处理，提出了著名的Young方程[7]，描述了固体表面的液滴静态接触角与液、固、气系统表面张力之间的关系。

式中，

?sl??sg??lgco?s?sg (3-4)

?sl表示固相和液相之间的表面张力，表示固相和气相之间的表面张力，

?lg表示

?液相和气相之间的表面张力，只表示静态接触角。Young在方程中的界面是理想的，各向均质的光滑表面。

接触角不是一个固定的值，随着固、液、气三相界面的移动，液滴与固体表面的接触角也不断变化。接触角图如下图所示：

图3-1 接触角示意图

3.4 VOF自由表面处理方法

Hirt和Nichols等人提出的VOF(Volume of Fluid)方法，该方法定义了一个VOF函数，规定其中一种流体为“目标流体”，每个网格上的VOF函数定义为目标流体体积和网格总体积的比值，所以单元上的流体体积分数定义为： 充满流体的网格

??单元中目标流体体积 单元总体积 （3-5）

?=1，不含流体的网格

?=0， 0<

?<1的网格则是含有自由表面的网格。

本文中将气体相网格体积分数取为0，液体体积分数取为0。

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